長期施磷對水旱輪作生產力及土壤團聚體磷分布的影響

宋美芳，胡鎮江，胡義濤

(長江大學農學院，湖北 荊州 434025)

鄒家龍

(湖北省荊州市荊州區農業技術推廣中心，湖北 荊州 434025)

李繼福，吳啟俠

(長江大學農學院，湖北 荊州 434025)

李強

(湖北省荊州市荊州區農業技術推廣中心，湖北 荊州 434025)

磷是作物必需的營養元素之一，作物所需的磷主要來自土壤本身磷庫和外源磷肥[1～3]。充足的磷素營養供應可顯著促進小麥、水稻和油料等作物的根系生長、提高葉片的光合能力，進而增加植株干物質量，是作物增產和穩產的重要措施[4～6]。然而，磷素在土壤中的移動性差，易被土壤吸附固定，向根系擴散能力較低，使得磷肥的當季吸收利用率偏低。目前，我國主要糧食作物磷肥的當季利用率僅為10%～25%[7～9]。隨著農田磷肥的施用，土壤磷素在我國很多地區呈現盈余狀態，部分地區土壤有效磷含量已經超過環境臨界點，導致磷肥利用效率下降、造成資源浪費并增加農業污染的環境風險[10,11]。

水旱輪作是我國南方稻作區主要種植制度，其顯著特征是作物和土壤季節間的干濕交替變化。土壤季節間的干濕交替變化對土壤磷的形態和作物有效性產生顯著影響[12]。稻田淹水后，由于Fe3+的還原以及Ca-P化合物溶解度的增加，磷對水稻的有效性提高，但是在旱季作物時，土壤變干又促進了磷的吸附和固定[13～15]。因此，通常認為，水旱輪作條件下應采取重旱輕水的磷素管理策略[12]。春玉米-晚稻輪作磷肥施用效果表明，玉米季施用的磷肥對晚稻有明顯的后效作用，且比晚稻季施用磷肥具有更高的磷肥利用效率[9]。麥玉輪作中，減少小麥季磷肥用量20%～40%，對玉米籽粒產量、生物量及磷素吸收均無明顯影響[16]。紫色土經過22a的磷肥施用后土壤0～20、20～40cm全磷、有效磷和各形態無機磷含量均比對照有不同程度的增加[13,15]。

土壤團聚體是調控土壤水肥供應與養分存儲的重要物質基礎，其粒徑大小與分布直接影響著土壤各種養分的供應效率，而施肥又是影響土壤團聚結構及其養分供應效能的重要措施[17～19]。施用磷肥能夠增強土壤鋁離子與磷酸根的絡合產物，是團聚體形成的良好膠結物質[2]。研究表明，長期施用磷肥可顯著提高旱地紅壤中大于1mm粒級團聚體比例，但對黑土各粒級水穩性團聚體分布影響不大[2,3,20]。因此，水旱輪作條件下有必要從輪作系統角度來調控磷素的施用，科學合理施用磷肥對提高磷肥當季利用效率、發揮其后效作用、減輕農業面源污染具有重要意義。為此，筆者于2011年開始在江漢平原開展水稻-冬油菜輪作肥效定位試驗，以期為農業生產中制定更好的土壤磷素管理措施以及保障該區域農業的可持續發展提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗點位于湖北省荊州市川店鎮(N 30°33′24″，E 112°4′56″，海拔52m)，為河流沖積物發育的水稻土，2011年水稻季開始進行水旱輪作肥效定位試驗，采用一年兩熟的中稻-冬油菜輪作模式。試驗前耕層(0～20cm)土壤pH 6.4、含有機質28.8g/kg、全氮0.6g/kg、堿解氮275.3mg/kg、有效磷4.44mg/kg，速效鉀96.6mg/kg和緩效鉀528.2mg/kg。

1.2 試驗設計

本研究設置2個處理，分別為(1)NK(-P)和(2)NPK(+P)。每處理3次重復，小區面積20m2，所有小區均隨機排列。除處理(1)不施磷肥外，作物每季養分施用量均保持一致，即：N 180kg/hm2、P2O590kg/hm2、K2O 120kg/hm2、硼肥15kg/hm2，均為該地區測土配方施肥推薦用量。肥料品種有尿素(46% N)、過磷酸鈣(12% P2O5)、氯化鉀(60% K2O)和硼砂(11% B)。水稻季氮肥分3次施用，基肥∶蘗肥∶穗肥=2∶1∶1；磷肥和鉀肥在水稻移栽前一次性基施。冬油菜季氮肥分3次施用，基肥∶越冬肥∶蕾薹肥=3∶1∶1；磷、鉀和硼肥在油菜移栽前一次性基施。

試驗所用水稻和油菜品種均為當地主推品種，分別為鄂科1號和華油雜15號。田間生產管理均按當地農業技術推廣部門的推薦措施進行，并適時防治病蟲害。

2017年冬油菜收獲后，采集各處理0～10、10～20、20～30cm和30～40cm的土壤樣品。每個小區采集4個樣點，按照“四分法”取1kg帶回實驗室，風干備用，以研究不同深度土壤團聚體含量及有效磷分布。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 作物產量

各小區水稻和冬油菜單打、單收，計實產。

1.3.2 土壤團聚體分級

土壤團聚體分級采用濕篩法[21]：將鋼篩從上到下、篩孔由大到小的順序套牢，將已經準備好的200g土樣置于套篩上，放入水桶中，然后將套篩固定到團聚體分析儀的震蕩架上，淹水靜置30min。以振幅3cm、30次/min的頻率上下震蕩5min，將各級篩子上的土壤團聚體洗入燒杯中，50℃條件下烘干、稱重，室溫保存。分別得到>5mm、2～5mm、1～2mm、0.5～1mm、0.25～0.5mm及<0.25mm粒徑的團聚體。

1.3.3 土壤有效磷測定

各處理土壤有效磷(Olsen-P)含量采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定[21]。

1.4 數據處理

試驗數據采用Excel 2016、OriginPro 9.0軟件計算和處理，利用LSD法檢驗P<0.05水平上的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 輪作系統的產量可持續性

由圖1可知，不施磷(-P)時，水稻和冬油菜的6a平均產量分別為5042kg/hm2和549kg/hm2。第一年施用磷肥，水稻沒有明顯增產效果，而經過2個輪作周期后，則表現出顯著的增產效果。對于后茬作物冬油菜施用磷肥，冬油菜在第1個輪作周期就表現出增產效果。與不施磷處理(-P)相比，施磷處理(+P)的水稻和冬油菜年均增產量分別為587kg/hm2和923kg/hm2，增幅分別為11.3%和168.1%。這表明在低磷土壤上長期施用磷肥有明顯增產效果，且冬油菜季>水稻季。

圖1 水旱輪作產量變化

2.2 不同深度土壤有效磷含量

長期磷肥施用對不同深度土壤有效磷含量的影響如圖2所示。由圖2可知，不施磷處理(-P)0～10、10～20、20～30cm和30～40cm層次土壤有效磷含量分別為3.70、2.84、2.57mg/kg和2.85mg/kg；而施磷處理(+P)的0～10、10～20、20～30cm和30～40cm層次土壤的有效磷含量比-P處理則分別增加3.22、1.73、2.06mg/kg和2.84mg/kg，增幅則分別為87.0%、60.9%、80.1%和99.5%，且以表層0～10cm土壤有效磷含量最高。這表明長期不施用磷肥會造成耕層土壤有效磷含量下降，而長期磷肥施用則可有效彌補土壤磷素虧缺現象。

圖2 不同深度土壤有效磷含量

2.3 不同深度土壤團聚體分布

圖3結果顯示，長期耕作和磷肥施用對土壤團聚體時空分布有顯著影響。不施磷(-P)條件下，隨著土壤深度的增加，>5mm粒徑的團聚體含量明顯降低，而<0.25mm粒徑的團聚體則顯著提高，其他粒徑也均有不同程度的變化；同樣，對于施磷處理(+P)也存在類似的垂直分布規律。

與-P處理相比，在0～10cm處，+P處理各粒徑含量并無顯著性差別。在10～20cm處，+P處理2～5mm粒徑團聚體含量顯著增加，而0.25～0.5mm粒徑團聚體含量則明顯降低，其他粒徑含量無顯著性差異。在20～30cm處，+P處理的大粒徑(>5mm和2～5mm)團聚體明顯提高，微小粒徑(<0.25mm)團聚體有所下降；但在30～40cm處，+P處理的大粒徑和微小粒徑團聚體含量與20～30cm處的相反，其他粒徑含量沒有明顯差異。

圖3 不同深度土壤團聚體分布

2.4 不同深度土壤團聚體有效磷含量

由圖4可知，不同粒級土壤團聚體中的有效磷含量因粒徑而有異。2個處理不同粒級團聚體中有效磷含量呈現相同的變化趨勢：[<0.25mm]>[1～2mm、0.5～1mm、0.25～0.5mm]>[>5mm、2～5mm]，即粒徑越小，有效磷含量越高；粒徑越大，有效磷含量越低。

與不施磷處理(-P)相比，施用磷肥(+P)顯著增加了各粒級團聚體中有效磷的含量，且0～10cm和30～40cm土層團聚體有效磷含量增幅最大，即0～10cm和30～40cm土層>5mm、2～5mm、1～2mm、0.5～1mm、0.25～0.5mm及<0.25mm各粒級團聚體有效磷含量增幅依次分別為30.5%、94.0%、92.0%、109.4%、129.0%、185.9%和42.9%、56.2%、57.0%、102.5%、164.8%、205.9%，平均增幅為106.8%和104.9%；其次，10～20cm和20～30cm土層團聚體有效磷增幅則為2.4%～38.3%和30.4%～97.7%，平均為24.0%和70.3%。

圖4 不同深度土壤團聚體有效磷含量

2.5 不同深度土壤團聚體有效磷平衡

通過-P處理和+P處理的團聚體和各粒徑有效磷含量得出團聚體有效磷的盈缺值，如圖5所示。由圖5可知，0～10cm和30～40cm土層的有效磷平衡變幅最為明顯，其次是20～30cm和10～20cm土層。另外，不同土層各粒級團聚體的有效磷盈缺值存在顯著性差異，尤以<0.25mm粒級的團聚體有效磷平衡值最小，其次是2～5mm粒級團聚體。

注：磷素盈缺值=處理1(-P)各粒徑團聚體含量×有效磷含量-處理2(+P)各粒徑團聚體含量×有效磷含量。圖5 土壤團聚體磷素盈缺平衡

3 討論

3.1 磷肥施用對水旱輪作產量的影響

磷是土壤中移動性較差的養分元素，而水旱輪作是提高土壤磷有效性最常見的途徑[2,12]。這是由于淹水能夠促進土壤中磷的釋放，雖然減少水稻季磷肥用量，但水稻可充分利用土壤中溶解的磷；而在旱季作物上，則應當施用充足的磷肥以滿足作物對磷的吸收和固定[3,12]。本研究中，不施用磷肥，在低磷土壤(Olsen-P 4.44mg/kg)經過5個輪作周期后，水稻仍然有較高的產量水平，平均可達5042kg/hm2，而冬油菜產量則顯著下降，平均年產僅為549kg/hm2。施用磷肥推薦用量(P2O590kg/hm2)后，水稻和油菜均有不同程度的增產，但從增幅來看旱季明顯高于水稻季，說明淹水可以提高水稻根系對土壤磷的吸收利用，冬油菜則需要額外的磷肥補充才能滿足營養需求。袁國印等[9]對玉米-水稻輪作進行磷肥施用研究結果顯示，玉米季施用的磷肥在晚稻季能表現出明顯的后效作用，且比晚稻當季施用磷肥具有更高的磷肥利用效率。小麥-水稻輪作的研究表明，當土壤有效磷含量>10mg/kg時，水稻季可少施或者不施磷肥來達到稻麥整個輪作系統農田減磷效果[10]。Singh等[22]研究表明，相對于小麥，水稻施磷過量一方面會導致更多的磷被土壤吸附固定，另一方面也會導致磷肥在土壤中的徑流，降低磷肥利用率和經濟效應。研究表明小麥、玉米和水稻土壤有效磷的農學閾值分別為7.5～23.5、5.7～15.2mg/kg和4.3～14.9mg/kg[23]，可見旱地作物較水稻對土壤缺磷更為敏感。雖然本研究所在地區的土壤有效磷含量偏低，但從產量結果和有效磷的農學閾值來看，尤其隨著種植季數的增加、磷肥殘效疊加效應增強，磷肥的累積吸收利用率會逐步上升[9,20,24]。因此，在水稻-冬油菜輪作系統中，雖然水稻季進行磷肥減施在理論上具有可行性，但還需要進一步開展相關田間試驗研究。

3.2 磷肥施用對水旱輪作土壤磷的影響

本試驗中土壤有效磷的檢測結果表明，長期缺磷肥后，輪作系統對表層和下層土壤磷都有吸收，但通過施肥，則可以有效緩解磷素虧缺，尤其是0～10cm和30～40cm出現明顯的磷素累積現象，這一方面表明作物根系吸收的磷主要來自10～20cm和20～30cm土層，另一方面也表明長期磷肥施用過多，會引起磷素垂直遷移，導致下層土壤磷的累積。不同深度土壤團聚體有效磷含量分布的結果則表明，施磷肥可以增加各粒級團聚體有效磷含量，尤其在<0.25mm的黏粒部分占比最大。此外，土壤磷素管理也必須要考慮作物秸稈和有機肥的施用。研究表明，有機肥能夠促進Fe3+的還原，釋放固定態磷[24,25]；而作物秸稈還田可減少磷的吸附從而增加其有效性。宋春等[25]的研究也證實施用磷肥能顯著增加黑土各粒級水穩性團聚體中全磷和有效磷含量。隨著規模農業的發展和秸稈還田技術的大力推進，將秸稈磷素還田與磷肥施用統籌結合，是輪作系統優化磷肥施用和有效減施的一項重要措施。

4 結論

低磷土壤長期施用推薦磷肥用量能夠有效增加水稻和冬油菜產量，并維持輪作系統生產力的可持續性，且增產效果表現為冬油菜季>水稻季。長期磷肥投入雖然能夠改善土壤團聚體結構并顯著提高耕層及各粒級團聚體中的有效磷含量，但也顯著增加了0～10cm和30～40cm土層的有效磷累積，尤其是<0.25mm粒級團聚體有效磷含量累積最為明顯。